宽边耦合带线在大功率合成中的应用[分享]

zouyineng

宽边耦合带线在大功率合成中的应用
段德钦   duandq009@163.com
           

摘要：宽边耦合带状线在VHF频段大功率合成中，用作合成器和分配器，具有插入损耗小、两端口相位和幅值均衡度好、功率容量大、体积小、便于装配和调试的特点，是一种很好的大功率合成方式。
关键词：宽边耦合带状线  功率合成
Abstract: Using Broadside-Coupled Strip Transmission Lines as synthesizer and dispatcher in high-powered VHF synthesis, there are several advantages such as less insertion loss; better amplitude and phase balance between two port; higher power capacity; compactness; convenient for installation and adjustment. It is a valuable synthesis method.
Keyword: Broadside-Coupled Strip Transmission Lines  Power Synthesis




    150MHz频段无线寻呼发射机通常发射功率为100W,工作电压为13.8VDC。单管在该电压条件下，能达100W者甚少，国内外寻呼发射机生产厂家多数都采用双管合成的方式，单管功率可达75W，合成后仅使用至100W，设计冗余大，稳定可靠，性价比较好。
    以下是介绍几种合成方式和特点：
1、        00合成
a、        合成线参与调配，如图1
    特点：将合成（分配）线与传输线匹配线融为一体，便于缩小体积，但带宽较窄且对“对管”参数的一致性要求较高，当“对管”中的一个损坏时，另一个放大管因失配也将造成损坏。这种方式在业余电台功放中较常使用。
b、合成线不参与调配，如图2
因合成（分配）器不参与调配，体积较大，带宽相对于上述方法的要宽，该方式当平衡电阻额定功率容量足够大时，一个放大管的损坏将对另一个不会造成危害。在VHF频段因波长太长较少使用，而进入UHF频段却常见使用。

              图1                                    图2
2、        对称巴伦（Balance）合成，如图3
该方式常使用于封装在一个基板上的对管大功率放大器电路中，该方式频带宽、稳定性好，但因折弯成“U”形的半刚性电缆介电常数（ξr=1.98）与PCB板介电常数（ξr=2.2~2.7）不一致,造成在两种介质内的传输相位不同而合成(分配)损耗较大,理论计算和实测值均在-0.6db~-0.7db之间。这在大功率合成中不是最
佳方案。

图3
3、        绞合线合成，如图4a、4b
       图4a                                  图4b
    近几年来，国外大功率放大器中经常使用绞合线用于功率的分配和合成，该绞合线供方提供了设计指南。根据不同的频率，裁切不同的长度，根据不同的功率容量，选用不同的线经。
该绞合线在电路的设计及批量生产的产品中使用简便，且体积小，重量轻。
该方式的缺点是:
a、        分配（合成）两端口的平衡性较差，且无法调节，一端口的损耗为-0.2db，另一端口最差的将达-0.4~-0.45db；
b、        成本较高。
4、宽边耦合带线（外形图如图5）
图5
宽边耦合带线在VHF频段和UHF频段用于合成和分配，具有体积小、功率容量大、损耗小、分配（合成）端口平衡性能优等特点。我们根据Characteristic  Impedance of  Broadside-Coupled  Strip  Transmission  Lines的理论，利用HP公司的EESOF微波软件计算，理论和实际基本吻合（如图6），在生产中得到了广泛的应用。
图6
电路设计程序为：
! DESIGNED FOR  -3dB COUPLER IN AMP150
DIM
  FREQ      MHz
  RES       OH
  LNG       MM
  ANG       DEG
VAR
  W0=1.1
  L0=296
CKT
  SSUB    ER=2.70  B=3.13   T=0.035   RHO=1
  TAND    TAND=0.002
  SBCLIN  1  2  3  4  W^W0  S=0.28  L^L0
  RES     3  0  R=50
  DEF4P   1  2  3  4  CPLR
OUT
  CPLR    VSWR1      GR1
  CPLR    DB[S21]    GR2
  CPLR    DB[S31]    GR3
  CPLR    DB[S41]    GR2
  CPLR    ANG[S21]
  CPLR    ANG[S31]
  CPLR    ANG[S41]
FREQ
  SWEEP   138   168   1
GRID
  RANGE   138   168   1
  GR1     1      20   1
  GR2     -2.5  -3.5  0.05
  GR3     -50    0    2.5
OPT
  RANGE  152    166
  CPLR   DB[S21]=-3
  CPLR   DB[S41]=-3
  CPLR   ANG[S41]=-90
计算结果
FREQ-MHZ    VSWR1  DB[S21]  DB[S31]  DB[S41] ANG[S21] ANG[S31] ANG[S41]
             CPLR     CPLR     CPLR     CPLR     CPLR     CPLR     CPLR

138.000    1.018   -3.069  -44.695   -2.971    6.603  103.299  -83.305
139.000    1.018   -3.061  -44.695   -2.978    6.190  102.466  -83.724
140.000    1.018   -3.055  -44.695   -2.985    5.777  101.634  -84.142
141.000    1.018   -3.049  -44.695   -2.991    5.364  100.804  -84.561
142.000    1.018   -3.043  -44.695   -2.997    4.952   99.975  -84.978
143.000    1.018   -3.038  -44.695   -3.002    4.541   99.146  -85.395
144.000    1.018   -3.033  -44.695   -3.007    4.130   98.319  -85.812
145.000    1.018   -3.029  -44.695   -3.011    3.720   97.492  -86.228
146.000    1.018   -3.025  -44.696   -3.015    3.310   96.666  -86.643
147.000    1.018   -3.022  -44.696   -3.018    2.900   95.841  -87.059
148.000    1.018   -3.019  -44.696   -3.021    2.491   95.017  -87.474
149.000    1.018   -3.017  -44.696   -3.024    2.082   94.193  -87.889
150.000    1.018   -3.015  -44.696   -3.026    1.673   93.369  -88.303
151.000    1.018   -3.013  -44.696   -3.028    1.264   92.546  -88.718
152.000    1.018   -3.012  -44.696   -3.029    0.855   91.723  -89.132
153.000    1.018   -3.011  -44.697   -3.030    0.447   90.900  -89.547
154.000    1.018   -3.011  -44.697   -3.030    0.039   90.078  -89.961
155.000    1.018   -3.011  -44.697   -3.030   -0.370   89.255  -90.375
156.000    1.018   -3.012  -44.697   -3.029   -0.778   88.432  -90.789
157.000    1.018   -3.013  -44.697   -3.028   -1.187   87.610  -91.204
158.000    1.018   -3.015  -44.697   -3.027   -1.595   86.786  -91.618
159.000    1.018   -3.017  -44.697   -3.025   -2.004   85.963  -92.033
160.000    1.018   -3.019  -44.697   -3.023   -2.413   85.139  -92.448
161.000    1.018   -3.022  -44.697   -3.020   -2.822   84.315  -92.863
162.000    1.018   -3.026  -44.698   -3.017   -3.232   83.490  -93.278
163.000    1.018   -3.029  -44.698   -3.013   -3.642   82.664  -93.694
164.000    1.018   -3.034  -44.698   -3.009   -4.052   81.838  -94.110
165.000    1.018   -3.038  -44.698   -3.004   -4.463   81.010  -94.527
166.000    1.018   -3.044  -44.698   -2.999   -4.874   80.182  -94.944
167.000    1.018   -3.049  -44.698   -2.994   -5.285   79.353  -95.361
168.000    1.018   -3.055  -44.699   -2.988   -5.697   78.523  -95.780
从图6可以看出，传输线S41与耦合线S21在要求的整个频带范围内接近，实测值与理论曲线形状基本相同,但实测线插入损耗比理论大0.1dB左右,该损耗主要取决于介质的损耗及并联接地板的导电率。我们可以选用更优质的介质材料及接地板进行镀金或者镀银的表面处理，以提高及性能。
值得指出的是，因加工工艺的限制，耦合线中间介质厚度S、带线宽度W及介质的相对介电常数的变化，对传输和耦合性能都会产生较大的影响，我们可以适当调节并联接地板的间距B达到能满足使用要求的目的。
实物外形：
      耦合带线外形                           实物外形
        图7a                                  图7b
总结：
在频率较低（波长较长）的大功率合成（分配）中，并联接地的宽边耦合带线是一种性能稳定可靠、经济实用的合成（分配）方式值得广泛推广使用。

注：用同样的方法在280MHz 、450MHz、 820-960MHz频段均获得了成功。

参考资料：
1、EESOF     Kit     1988.8    HP
2、Cohn, Seymour   B.，
   Characteristic   Impedance   of   Broadside-Coupled  Strip   Transmission   Lines  , IRE  Transactions   on   Microwave   Theory  and   Techniques ,   November   1960
3 周文表：微波集成电路计算机辅助设计手册 人民邮电出版社 1988.5
4 林为干: 微波网络 国防工业出版社 1978.6
5 谢处方:  电磁场与电磁波
6 高葆新等：微波电路计算机辅助设计 清华大学出版社 1986.11